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摘要：介紹了結構被動控制的理論機理及近年來國內外的應用與發展概況，包括被動控制中的隔震、消能減震和調諧減震三個部分，提出了結構被動減震控制目前需待解決的問題，并對以后的發展趨勢做了展望。...

結構被動控制的應用與發展

稅強l，  田云飛2

(1西南交通大學土木工程學院，四川成都610031；

2祥浩工程造價咨詢工程有限責任公司，廣西南寧530028)

    傳統的結構抗震思路是利用結構自身的抵抗能力，即自身的承載能力和塑性變形能力來抵御地震作用。隨著社會以及相關學科的發展，人們對更為合理和有效的抗震技術進行了探索，結構控制設計隨之孕育產生。結構控制設計是通過在結構上安裝耗能或減震裝置減輕或抑制結構由于動力苘載引起的響應。該技術在土術工程界由Y-JT.P首次提出，之后得到了迅速發展，為工程設計與建設開辟了新的途徑。結構控制主要分為被動控制、主動控制，半主動控制、混合控制，以及近年來發展起來的智能控制。在這幾種減震技術中，被動控制是目前發展比較成熟的工程抗震控制技術，許多國家，如美國、日本，陸續出臺了與之相應的規范或標準。我國在GB 50011一2001《建筑抗震設計規范》中也納^了隔震和消能減震的內容，并制定了《建筑隔震橡膠支座標準》、《夾層橡膠墊隔震技術規程》。近十幾年來，我國在結構的隔震、減震與振動控制方面的研究成果較多，并逐步在實際工程中得到推廣應用。

1.被動控制的應用與發展

    被動控制技術是一種不需要外部能源的結構控制技術。從控制機理上說，被動控制有三條基本途徑。

    (1)隔震。即通過在結構特定部位設置隔震裝置阻止外界對結構的能量輸入，直接達到減震控制作用；

    (2)消能減震。即通過附加在結構上的耗能阻尼器耗散地震能量，來實現減震的目的；

    (3)調諧減震。即通過振動模態間的相互轉換，將工程結構的主振動轉穆到附加系統上。

    被動控制具有構造簡單、造價低，易于維護且無需外部能源支持等優點。目前．許多被動控制技術均在實際工程中得到廣泛的應用。

    1.1隔震

    結構隔震的本質是將結構與可能引起破壞的地面運動分離開。通常是在結構的某些部位設置隔震裝置，利用該裝置來隔震或耗散地震能量，以減少地震能量向上部傳輸，從而減少上部結構振動。

    隔震技術始于l9世紀末。20世紀60年代疊層橡腔支座的誕生使基礎隔震技術進入了實用化時代。基礎隔震因發展歷史較長，因此它是目前應用最為廣泛，也是最為成熟的結構控制技術。隔震結構在歐美、日本等國家得到了極為廣泛的應用，并在實際地震中表現出良好的抗震性能。截至2006年，日本共有l 500多棟大樓和500棟住宅采用了隔震技術，美國、新西蘭等國家也建造了相當數量的隔震房屋。中國學者對基礎隔震的研究較早，1980年我國第一幢摩擦滑移隔震房屋建立；周福霖等人從20世紀80年代起，一直致力于基礎隔震的研究和開發工作；唐家祥等人成功研制了承壓能力為500 t睿許水平位移為l2 cm的隔震支座，并完成了多方面性能的試驗研究；周錫元、李宏男等人對基礎隔震結構進行了不同方面的研究．取得了豐碩的成果。

    隔震裝置應滿足的基本要求有：

    (1)足夠的豎向承載能力；

    (2)可變的水平剛度；

    (3)較好的阻尼消能能力；

    (4)良好的復位特性；

    (5)良好的抗疲勞和抗老化性能，較好的耐久性和耐火性能。

    根據隔震裝置所處的位置，可分為基礎隔震和層間隔震兩大類。其中基礎隔震目前應用較多，根據隔震阻尼部件的不同，基礎隔震有：

    (1)疊層橡腔支座隔震。包括無鉛芯橡膠支座、加鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座等；

    (2)滑動支座隔震。在隔震層設置摩擦支座或砂墊層等形成滑移層，當建筑物遭遇地震時，通過該處不連續界面的滑移錯動．部分切斷地震渡的傳播．限制上部結構的地震反應；

    (3)滾動隔震。用高強合金制成的滾珠或滾軸涂以防銹或滑移層后置于隔震層，地震作用下，通過滾珠及滾軸滾動達到隔震的目的。

     1.2消能減震

    消能堿震是在結構的抗側力構件中設置消能部件，當結構承受地震作用時，消能構件或消能裝置產生彈塑性滯回變形，吸收并消耗地震輸入結構中的能量，以減少主體結構的地震響應。從而避免結構的破壞或倒塌，達到減震控震的目的。美國是開展消能減震研究較早的國家之一，1972年蝗工的紐約世貿中心大廈就安裝了約l0 000個粘彈性阻尼器；西雅圖哥倫比亞太厘、匹茲堡鋼鐵大廈等許多工程都采用了該項技術。近年來，全日奉采用耗能減震體系實際工程已超過百余項，其中均采用了不同的耗能減震裝置。在加拿大．Pall型摩擦耗能器已被用于新建和抗震加固工程，在減小結構的震動作用時，還取得了較好的經濟效益。新西蘭、意大利、法國等國家也都已將該技術應用于實際工程：隨著各國在耗能減震體系方面研究的探人，美國、日本、新西蘭等國相繼制定出臺了相應的消能減震結構設計、施工規范或規程。如美國加州結構工程師協會(SEANOC)頒布的有關耗能減震技術的規定，明確指出了耗能減震體系設計不能采用等效側力法．而應使用動力時程分析法；對于安裝有粘(彈)性阻尼器的結構，規定使用應力譜分析法等。近年來，我國的學者和工程設計人員也致力于該技術的研究與工程應用，目前摩擦消能器已被用于l0余座單層，多層工業廠房和辦公樓中。

    消能減震按消能裝置的不同分為兩大類。

    (1)消能構件減震：利用結構的非承重構件作為消能裝置；

    (2)阻尼器減震：在結構的某些部位裝設阻尼器。

    消能構件常見的有方框消能支撐、圓框消能支撐、交叉桿消能支撐、斜桿消能支撐、K形消能支撐等。消能支撐框架結構。即在框架柱間增設消能支撐形成消能支撐框架，是高層建筑和超高層建筑中實現結構減震控制的一種有效途徑。尤其適合于建筑上需要內部設有大空間的高柔結構，此外還有豎縫消能剪力墻、橫縫消能剪力墻、周邊縫消能剪力墻等，強震時，會發生非彈性的縫面錯動，產生阻尼，達到消耗地震能量的目的。

    消能減震裝置的種類很多，根據消能機制的不同可分為摩擦消能器、鋼彈塑性消能器，鉛擠壓阻尼器，粘彈性阻尼器和牯滯阻尼器等；根據消能器消能的依賴性可分為速度相關型(如粘彈性阻尼器和牯滯阻尼器)和位移相關型(如摩擦阻尼器、鋼彈塑性阻尼器和鉛阻尼器)等。

    1.3調諧減震

    調諧減震控制體系由結構和附加在主結構上的子結構組成。附加的子結構具有質量剛度和阻尼，因而可以調整子結構的自振頻率，使其盡量接近主結構的基本頻率或激勵頻率。這樣．當主結構受激勵而振動時，子結構就會產生一個與結構振動方向相反的慣性力作用在主結構上，使主結構的振動反應衰減并受到控制，目前常用的調諧減震控制裝置有調諧質量阻尼器(TMD)和調諧液體阻尼器(TLD、TFLCD)。

    調諧質量阻尼器(TMD)是將結構振動的部分能量吸收到自己身上，轉化成自身的動能和阻尼耗能，從而達到減小主體結構的振動。調諧液體阻尼器則是利用容器中的液體晃動而減震的子結構振動系統。結構振動時帶動阻尼器中的液體晃動．通過結構與阻尼器之間的相互作用實現減震作用。TMD、TLD、TLCD的減振效果主要取決于主次結構的質量比頻率比和阻尼比，由于后面兩個參數在振動過程中是可變的，因此很難使系統在各個階段都處在最佳減振狀態，這可以通過實時調節參數或施加一定作用力的方式加以改進。

    在調諧減震方面，雖然已經進行了較多的研究和分析工作，但實驗研究和工程應用還不是很多。日本ShimiZN公司在20世紀90年代初已研究開發了應用于高層建筑的集成式TMD，這種阻尼器在強震作用下具備一定的制動保護能力，該公司同時開發了可用于高塔和高樓的分層式TLD，已用于高106m，的橫濱海運塔和直徑382m、高l494m的圓筒形旅館。在TMD的實際應用方面．我國研究者曾在電視塔和加層房屋方面進行了分析和方案設計，此外還對TMD和基礎隔震的組合應用方法進行過探討。

2.被動控制技術的發展前景

    當前，土木工程結構的抗震思路已由過去消極被動的抗震轉為積極的抗震，并需要確保在地震作用下結構功能的正常發揮。結構被動控制技術在我國起步較晚，投入的試驗研究相對較少，實際工程的運用也較少。但隨著越來越多的研究者和工程師的不斷關注、結構被動控制在我國的研究和工程應用上必將會有光明的前景，并帶來具大的經濟效益。在今后一個時期內，結構被動控制技術研究和應用面臨和需要解決的主要問題有：

    (1)被動控制技術規范化，實用化。編制相應的減震技術規范，推廣并正確指導應用減震技術。

    (2)隔震技術：基礎隔震對在短周期地面運動影響下的中短周期結構而言，其減振效果比消能技術更好，但對地面運動輸入特性比較敏感，不能完全消除共振的危險性．此外．還需要進一步研發耐九性能好的滑動支座以及對長周期的結構隔震的研究等。

    (3)消能減震：研發低造價、耐久性好、施工方便的耗能減震裝置；消能減震體系設計計算方法的研究以及軟件的開發等。

    (4)調諧減震：調諧減震方法具有簡單實用，費用比較低的優點。今后的研究工作應根據各類結構的特點．進一步開發新型實用的定型產品，研究配套的設計計算方法和構造措施．不斷擴大其在實際工程中的應用。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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